【doc】鋼結(jié)構(gòu)的大氣腐蝕模型

1、鋼結(jié)構(gòu)的大氣腐蝕模型第10卷第4期2o04年12月空間結(jié)構(gòu)spatlaijstrlttureslo1.10no.4dec.2004鋼結(jié)構(gòu)的大氣腐蝕模型梁估,林書明!,陳春雷.(1.浙江大學(xué)土木工程學(xué)系.浙江杭州310027;!.浙江省建筑設(shè)計研究院.浙江杭州310007;3.浙江省第二建筑有限公司.浙江杭州315300)摘要:大氣腐蝕是造成鋼結(jié)構(gòu)損傷的一個主要因素.并且是隨時間漸變的.其可靠性分析屬于時變可靠性的范疇.而腐蝕模型在其中起重要的作用.碳鋼和低合金鋼是鋼結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)材料.本文在簡述腐蝕機理和過程的基礎(chǔ)上.對現(xiàn)有的碳鋼和低合金鋼的腐蝕模型進行總結(jié).為鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的可靠性評估提供借鑒.

2、關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu);腐蝕模型;時變可靠性中圖分類號:tu391文獻標(biāo)識碼:a文章編號:10066578(2004)04006004atmosphericcorrosionmodelofsteelstructuresiaangji.iinshuming!,chenchunlei.(1.departmentoj(jz,engineering.zhejiang(,.1iz-ersti3,.hangzhou310027.china:2,zhejianginstitute/r(kltetual,)psignandrppr(h.ha11gzho1,310007.china;3.7hese,ond,(tlite

3、,engimering(.rzhejiangprozimp,ttangzhou315300.china)abstract:atmosphericcorrosionisoneofthemainfactorswhichcausethedamageofsteelstructures.itvarieswithtimeandthereliabilityanalysisconsideringcorrosionistimevariantreliability,whilethemodelofthecorrosionaffectsthereliabilityanalysissignificantly.theca

4、rbonsteelandlowalloysteelarethemainmaterialofsteelstructures.soafterthebriefdescriptionofitsmechanismofcorrosionandprocess.thecurrentusedmodelofatmosphericcorrosionwerepresentedhereforreferenceoftheevaluationofthereliabilityofsteelstructures.keywords:steelstructure;corrosionmodel;timevariantreliabil

5、ity口碳鋼和低合金鋼是鋼結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)材料,其成本較低,但耐腐蝕性能并不好.通常采取保護涂層來減緩大氣對鋼的腐蝕.但受環(huán)境因素,構(gòu)件位置及受力狀態(tài)的影響,涂層使用壽命會差異很大.為了保證結(jié)構(gòu)在長期使用中不因腐蝕疲勞而引發(fā)安全事故.對結(jié)構(gòu)進行周期性的無損傷檢測及其可靠性評估是必不可少的.腐蝕是隨時間變化的.其可靠性分析屬于時變可靠性的范疇.配合檢測數(shù)據(jù)對腐蝕和疲勞進行可靠性評估.腐蝕模型是一個重要的影響因素.關(guān)于碳鋼和低合金鋼的大氣腐蝕國內(nèi)外都做了很多研究:,我國的大氣腐蝕試驗網(wǎng)站已經(jīng)積累了很多試驗數(shù)據(jù)一.針對試驗數(shù)據(jù)很多學(xué)者提出不同的腐蝕模型.但由于鋼材成份不同,腐蝕環(huán)境不同以及腐蝕時間不同

6、,目前還沒有一個公認的比較完善的模型.本文對已有的精度較高的大氣腐蝕模型進行總結(jié),以便為鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的可靠性評估提供借鑒.2大氣腐蝕機理腐蝕性大氣主要有工業(yè)大氣,海洋大氣,農(nóng)村大氣,室內(nèi)大氣四種基本類型,但實際上由于大氣的流動性及大氣污染物的存在,各類型并沒有明顯界限.收稿日期:20040726.作者簡介:梁估(1979).男.云南昆明人.碩士研究生.主要從事大跨空間結(jié)構(gòu)研究第4期梁佶,等:鋼結(jié)構(gòu)的大氣腐蝕模型鋼的大氣腐蝕是在水膜的存在下.空氣中的氧通過銹層進行電化學(xué)反應(yīng)的過程.銹層結(jié)構(gòu)隨材質(zhì),環(huán)境和腐蝕時間的不同而有變化,但主要成分是磁性和超順磁性針鐵礦(afe()()h)和纖鐵礦(yfe()

7、()h),海洋大氣中還有赤鐵礦(yfe!o.).根據(jù)evens的大氣腐蝕機理,在濕潤條件下陽極區(qū)的反應(yīng):fe+fe+2e;陰極區(qū)的反應(yīng):3feooh+fe:().+h?()+()h一一e.在干燥條件下fe!o.被氧化成fe()()h.此外,銹層分為外銹層和內(nèi)銹層.外層由于fe()oh疏松多孔,對基體無保護作用;內(nèi)層是fe!().和feooh的混合物,比較致密,對基體有一定的保護作用.隨著致密氧化層的完善和致密程度的增加,其本身的氧化膜就起到了類似保護涂層的作用,這體現(xiàn)在時間越長鋼的耐腐蝕性越明顯的特點上.在鋼中加入的合金元素主要就是通過改變內(nèi)銹層導(dǎo)電性和致密性,來提高鋼的耐腐性能.影響大氣腐蝕

8、的主要環(huán)境因素有:溫度在零度以上濕度超過臨界濕度的時間和污染物(主要是so?和ci一).一般認為濕度超過8o時,腐蝕的危險性迅速增加,相同濕度下隨溫度提高腐蝕速度加快.不同的鋼材由于其成份不同,尤其是合金元素的配比不同,其腐蝕速度在環(huán)境因素影響下有很大差異,同時構(gòu)件的位置會影響其表面的相對濕度狀況,也會影響構(gòu)件的腐蝕速度.3腐蝕過程對于一般沒有嚴(yán)重污染物的大氣環(huán)境,具有腐蝕保護系統(tǒng)的鋼的腐蝕過程如圖1所示,分為三個階段:(1)無腐蝕階段,teo,-/;(2)快速腐蝕階段,t71;(3)腐蝕減緩階段,t丁.7,.圖1碳鋼,低合金鋼大氣腐蝕示意圖其中7,是腐蝕開始的時間,提前于腐蝕保護系統(tǒng)完全失效

9、時間71但為簡便起見,設(shè)7一7.5/.是快速腐蝕到腐蝕減緩階段的轉(zhuǎn)折的時間點,71,代表結(jié)構(gòu)的使用壽命和維修周期.腐蝕開始后由于剛生成的銹層比較疏松,不能有效阻止腐蝕介質(zhì)的擴散,所以出現(xiàn)一個快速腐蝕的過程.隨著銹層致密層逐漸生長,腐蝕過程受到阻滯.腐蝕速率也開始逐漸變慢.4腐蝕模型腐蝕的過程比較復(fù)雜,其類型較多,影響腐蝕的因素也很多.不同地域可能差別明顯.腐蝕模型應(yīng)該根據(jù)鋼種在當(dāng)?shù)氐拇髿飧g數(shù)據(jù)來選擇確定,才能較好反映實際情況.以下總結(jié)近年來腐蝕模型的研究成果.4.1冪函數(shù)形式和指數(shù)函數(shù)形式.冪函數(shù):cat(1)指數(shù)函數(shù):caexp(bt)(9)式中:,6為待定系數(shù).c代表平均腐蝕失重或者平均

10、腐蝕深度,t為腐蝕時間.其回歸方程的相關(guān)系數(shù),在規(guī)定的檢驗水平下,應(yīng)大于其相應(yīng)的臨界相關(guān)系數(shù),并且越接近于1,回歸方程的效果越顯著,誤差越小.冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)是運用比較早的腐蝕模型.通過對腐蝕數(shù)據(jù)的線性回歸而建立,一般要求腐蝕數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)變換呈線性關(guān)系.這兩種模型使用比較方便,但對腐蝕的全過程擬合誤差較大.4.2灰色gm(1.1)模型一.gm(1,1)模型的建模過程中,對原始數(shù)列x一,-,)進行累加生成,并按照灰色理論的有關(guān)假設(shè)和規(guī)定,利用微分方程表達其動態(tài)特性,構(gòu)造矩陣,估計參數(shù)得到時間響應(yīng)方程:j一m一lexp(一n)-+-旦(3)lj式中:【l】是原始數(shù)列(平均腐蝕失重或者平均腐蝕深度)

11、的第一個值;是累加生成的數(shù)列的第(+1)個估計值;稱為發(fā)展系數(shù),反映的發(fā)展態(tài)勢稱為灰色作用量,它的大小反映數(shù)據(jù)的變化關(guān)系,在系統(tǒng)中相當(dāng)于作用量.還原數(shù)列即可得預(yù)測值,其中一一(4)gm(1,1)方法屬于軟科學(xué)方法中的灰色理論,對數(shù)據(jù)的適用性較好,但模型的建立過程相對復(fù)雜,需要一定的理論基礎(chǔ).從文獻7,1o2的結(jié)果看,其精度高于冪函數(shù)形式和指數(shù)函數(shù).空間結(jié)構(gòu)第10謄4.3bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過對樣本的訓(xùn)練學(xué)習(xí),能較好反映系統(tǒng)的發(fā)展趨勢與狀態(tài)輸入信號的關(guān)系,可以對系統(tǒng)發(fā)展趨勢進行較好的預(yù)測.bp網(wǎng)絡(luò)在很多領(lǐng)域被廣泛運用,其預(yù)測的準(zhǔn)確性取決于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),建模參數(shù)以及樣本的數(shù)量和準(zhǔn)確性.由于不

12、同地區(qū)影響金屬大氣腐蝕的因素不同,比如年平均溫度,年平均相對濕度rh,年相對濕度(rh>80)時數(shù),年降水量,年降雨日數(shù),年日照時數(shù),cl一濃度,so.濃度,no!濃度,雨水ph值以及腐蝕時間等,建模時應(yīng)選擇合適的因素作為輸入因子.之后確定網(wǎng)格結(jié)構(gòu),選擇輸出層神經(jīng)元變換函數(shù).神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法,對腐蝕數(shù)據(jù)有較好的適用性.適合于含有不確定性因素的復(fù)雜系統(tǒng)的分析.從文獻12的結(jié)果看,其精度高于gm(1,1)模型.但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法也需要一定的理論基礎(chǔ),要配合計算機程序來使用.4.4考慮大氣成分的腐蝕模型_lcn+bc1一r;一?j+cc1一r:一3j+dso!rj一2j+pso2r2j一3;+/cl

13、t+gso2t+hmm/t(5)其中,c是平均失重g/m:,c1一是氯離子的濃度(mg/m!),so2是硫化物的濃度(mg/m),t和是降雨的時間和毫米數(shù).rj一?j和r:j一.j是溫度分別在525和2535度,相對濕度(rh>800o)的時間,a,b,f,d,p,f,g,h為待定系數(shù).該模型是根據(jù)腐蝕機理,結(jié)合腐蝕數(shù)據(jù)而建立的.考慮了影響腐蝕的諸多因素.公式(5)為通式,不同環(huán)境下可以根據(jù)實際數(shù)據(jù)略去一些對c貢獻小的項.該模型國內(nèi)還沒有文獻進行研究對比,其需要的已知因素較多,公式中的待定參數(shù)也較多,實際工程中使用有一定困難.但是公式從腐蝕的原理出發(fā),有利于腐蝕的實驗研究.4.5經(jīng)驗公式

14、與近似函數(shù)模型一j文獻14認為腐蝕過程中存在一個特殊點腐蝕臨界點,在它的前后,腐蝕隨時間變化的規(guī)律不同,故應(yīng)通過分段建模來擬合腐蝕數(shù)據(jù).(1)基于經(jīng)驗變換的模型先找到腐蝕的臨界點,利用冪函數(shù)h(f):at或者指數(shù)函數(shù)h(f)一aexp(bt)回歸公式擬合,分段建模.其中h(f)為平均腐蝕失重.(2)基于近似函數(shù)的模型由于基于經(jīng)驗變換的模型要求數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)變換呈線性關(guān)系,有時擬合的效果并不好.但使用文獻的近似函數(shù),只要求數(shù)據(jù),或者經(jīng)過數(shù)學(xué)變換的數(shù)據(jù)呈單峰形狀.先找到腐蝕的臨界點,利用下列公式分段建模.f(x)一b+sa(6)其中b,一和a是待定系數(shù),f(x)和.72可以是平均腐蝕失重和時間,也可

15、以是它們的數(shù)學(xué)變換形式.(3)經(jīng)驗變換與近似函數(shù)的聯(lián)合模型在分段建模的過程中,同時使用不同的模型擬合數(shù)據(jù)來達到要求的精度.分段建模,使數(shù)據(jù)的擬合更加靈活,有利于提高預(yù)測精度和模型的適用性.但是腐蝕臨界點的確定原則并不嚴(yán)格,所以該模型有一定的不確定性.文獻14認為近似函數(shù)由于不受問題物理背景的限制,更具有一般性,從結(jié)果上看,其精度高于gm(1,1)模型.4.6分三階段的腐蝕模型l_l文獻13認為腐蝕過程開始后可以分為三個階段(圖2),第一階段是快速腐蝕階段,第二,三階段是腐蝕減緩階段分為前期和后期.每個階段應(yīng)該采用不同的腐蝕模型.圖2腐蝕過程示薏圖第一階段,以線性規(guī)律來描述:y=at(7)式中,

16、y為平均腐蝕深度,t為腐蝕時間(以下都用此符號表示),a為待定系數(shù).第二階段,以拋物線規(guī)律描述:y.一點f+f(8)由于腐蝕過程的復(fù)雜性,平方拋物線規(guī)律寫成如下的通式:y一kt+c(9)式中,>0,不一定是整數(shù).為了實用,簡化為:at.+bt+c(10)式(810)中,k,f,k,c,a,b,c為待定系數(shù).第三階段,同樣用線性規(guī)律描述,只是腐蝕速度很緩慢,斜率較小.該模型結(jié)合我國多個地區(qū)碳鋼的8年,16年的腐蝕數(shù)據(jù)擬合,是目前腐蝕模型中腐蝕數(shù)據(jù)較為全面的,模型使用范圍較廣.其分段建模的方法也有利第4期梁佶,等:鋼結(jié)構(gòu)的大氣腐蝕模型63于提高預(yù)測精度和模型的適用性.結(jié)合腐蝕數(shù)據(jù),文獻13認

17、為,第一階段范圍為01年,第二階段范圍為l8年,第三階段范圍為8年以后.5結(jié)語鋼的大氣腐蝕不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失,而且削弱結(jié)構(gòu)的強度,容易引發(fā)安全事故.考慮鋼的大氣腐蝕對于鋼結(jié)構(gòu)的時變可靠性評估非常重要,有利于結(jié)構(gòu)的維護和檢修.我國地域廣闊,氣候差異大,各地空氣中污染物情況也不盡相同,鋼材的腐蝕規(guī)律也因此而有所差別,腐蝕模型并不能照搬.根據(jù)當(dāng)?shù)氐母g數(shù)據(jù).選擇較高精度的腐蝕模型.才能對結(jié)構(gòu)的時變可靠度進行有效的評估.參考文獻1美國腐蝕工程師協(xié)會.腐蝕與防護技術(shù)基礎(chǔ)m.北京:冶金工業(yè)出版社.1987.2黃建中,左禹.材料的耐蝕性和腐蝕數(shù)據(jù)m.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.3王鳳平,張學(xué)元,杜元

18、龍.大氣腐蝕研究動態(tài)與進展j.腐蝕科學(xué)與防護技術(shù),2000.12(2):1o41o8.4ohseij,cookdc,townsenthesaitoh.atmosphericcorrosionofdifferentsteelsinmarine,ruralandindustrialenvironmentsj.corrosionscience.1999.41:168717o2.(上接第l8頁)參考文獻1flemingjf.ela1.dynamicbehaviorofacablestayedbridgej.earthquakeengineeringandstructuredynamics.1980.8

19、:116.2張其林.預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)非線性分析的索單元理論j.工程力學(xué).1993,10(4):931o1.3李樹遜.懸索的有限變形分析a.同濟大學(xué)博士論文集ec.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社.1998.4唐建民.索穹頂結(jié)構(gòu)的理論研究l-d.博士學(xué)位論文.上海:同濟大學(xué).1997.5張其林.等.連續(xù)長索非線靜力分析的樣條單元j.工程力學(xué),1999.16(1):115122.j:evensur.mechanismofrustingj.corrosionscience.1969.9:813821.6:梁彩風(fēng).候文泰.碳鋼和低合金鋼8年大氣暴露腐蝕研究j.腐蝕科學(xué)與防護技術(shù).1995.7(3):l83l86

20、.:唐其環(huán).合金鋼大氣腐蝕數(shù)據(jù)擬合及預(yù)測cm(11)模型與回歸模型的對比j.腐蝕科學(xué)與防護技術(shù).1995.7(3):2l02l3.8:于國才.王振堯.陳鴻川.沈陽地區(qū)碳鋼,耐侯鋼的腐蝕規(guī)律研究j.腐蝕與防護.2000.2l(6):243245.9:韓薇.汪俊.王振堯.等.低合金鋼耐大氣腐蝕規(guī)律研究j.腐蝕科學(xué)與防護技術(shù),2003.15(6):3l53l9.1o:程基偉.張琦.材料腐蝕預(yù)測數(shù)學(xué)模型的研究j.航空.2000.2l(2):l83一l86.:11:馬小彥.屈祖玉.李長榮.bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在碳鋼及低碳合金鋼大氣腐蝕預(yù)測中的應(yīng)用jj.腐蝕科學(xué)與防護技術(shù).2002.14(1):5255.12陳躍良.楊曉華.呂國志.結(jié)構(gòu)